项目3数控系统.

3.1项目任务书3.2数控系统的总体结构及各部分功能3.3数控装置的软硬件结构3.4插补原理3.5CNC装置误差补偿原理3.6拓展知识——可编程序控制器(PLC)项目3数控系统数控机床项目3数控系统项目描述：认识数控系统学习目标：1.能够讲解数控系统的组成与机床的基本控制要求2.能够描述数控装置的工作过程及各部分功能3.能够叙述数控装置的软硬件结构、CNC装置软件的特点4.能够解释逐点比较法的基本原理5.了解CNC装置误差补偿原理和可编程序控制器(PLC)项目任务报告：1.分析数控系统的组成、工作过程2.描述数控装置的功能，区分核心功能和可选功能3.叙述数控装置的软硬件结构4.列举逐点比较法的四个节拍3.1项目任务书数控机床项目3数控系统3.2.1数控系统的组成与机床的基本控制要求3.2.2数控装置的工作过程3.2.3数控装置的功能3.2数控系统的总体结构及各部分功能数控机床项目3数控系统3.2.1数控系统的组成与机床的基本控制要求1)数控系统的组成计算机数控系统（CNC系统）图3-1CNC系统的组成框图1、程序2、输入/输出设备、3、CNC装置4、可编程控制器（PLC）5、主轴驱动装置6、进给驱动装置等组成。数控机床项目3数控系统2、数控机床的基本控制要求运动控制逻辑控制位移、速度、加速度及其组合控制机床各伺服轴的插补运动控制,主轴速度、主轴定位控制及主轴和各轴的插补控制等主轴电机的正反转,停止控制,冷却泵电动机的启动、停止控制,机械原点限位开关信号的检测等定时润滑、刀库控制、主轴管理等组合逻辑输入/输出控制简单逻辑输入/输出控制数控机床项目3数控系统常用的调试功能由于刀具磨损、工件装夹等原因，需对机床各轴的位置进行调整1手动功能即点动、定长、手摇脉冲发生器进给功能;2回零、回机械原点功能;3实时速度倍率调整功能;4刀具半径磨损、刀长磨损补偿功能5对平行度、找矩形中心线及中心点功能;6找圆心功能;7自动对刀、换刀功能等。数控机床项目3数控系统3.2.2数控装置的工作过程（1）输入输入CNC装置的有零件程序、控制参数和补偿量等数据。（2）译码处理译码处理程序以零件程序的一个程序段为单位将用户加工程序进行处理。使其轮廓信息、加工速度信息和辅助功能信息翻译成计算机能够识别的数据，存放在指定的内存专用空间。还要完成对程序段的语法检查等工作。（3）数据处理经过译码处理后存放在指定存储空间的数据进行处理。数据处理程序一般包括刀具补偿、进给速度处理等。刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。数控机床项目3数控系统3.2.2数控装置的工作过程（4）插补运算根据输入的基本数据(如直线终点坐标值、圆弧起点、圆心、终点坐标值、进给速度等)进行实时运算与控制。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期中，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。（5）位置控制在每个采样周期内，将理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制电动机，进而控制数控机床工作台(或刀具)的位移。还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高数控机床的定位精度。数控机床项目3数控系统3.2.2数控装置的工作过程（6）I／O处理主要处理CNC装置与机床之间来往信息的输入、输出和控制。（7）显示零件程序显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、刀具加工轨迹动态模拟图像显示(经济型机床一般没有该显示功能)、报警显示等。（8）诊断进行故障诊断。及时对数控加工程序的语法错误、逻辑等进行集中检查，并加以提示。现代CNC装置中都有联机和脱机诊断功能。数控机床项目3数控系统3.2.3数控装置的功能1.核心功能（1）控制功能主要反映CNC装置能控制的轴数和能同时控制(联动)的轴数。（2）准备功能用来指令机床运动方式的功能，包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿等指令。（3）插补功能指CNC装置通过软件插补来实现刀具运动轨迹控制的。实时性很强，即计算速度要同时满足机床坐标轴对进给速度和分辨率的要求。数控机床项目3数控系统3.2.3数控装置的功能（4）主轴速度功能CNC装置可以控制主轴的运动，也可以实现主轴的速度控制和准确定位。（5）进给功能用F代码直接指令各轴的进给速度。同时可通过主轴上的位置编码器(一般为脉冲编码器)实现同步进给。(6)辅助功能M功能，各种型号的数控装置具有辅助功能的多少差别很大，常用的辅助功能有主轴的起停、主轴正反转、冷却液接通和断开、换刀等。辅助功能是通过PLC或I／O接口实现的。(7)刀具功能用来选择所需的刀具。包括选择的刀具数量和种类、刀具的编码方式以及自动换刀的方式。数控机床项目3数控系统数控装置核心功能处理的数据流数控装置核心功能处理的数据流数控机床项目3数控系统数控装置的附加功能各种数控附加功能可选功能(1)人机对话编程功能(2)字符图形显示功能(3)测量和补偿功能补偿功能主要有以下种类：①刀具的尺寸补偿。②坐标轴的反向间隙补偿；③热变形补偿；④进给传动件的传动误差补偿，数控机床项目3数控系统（4）固定循环功能指CNC装置为典型的加工工序及典型动作预先编好程序，并存储在内存中。（5）监测和诊断功能避免机床、工件和刀具的损坏，可以对机床动态运行、几何精度和润滑状态进行检查处理；对数控系统硬件电路导通和断开及软件功能进行检查处理；以及对加工过程中刀具磨损、刀具断裂、工件尺寸和表面质量进行检查处理。（6）输入、输出和通信功能可以接多种输入、输出外设，实现程序和参数的输入、输出和存储。与可编程控制器进行通信，对驱动控制装置和传感器可采用现场总线网实现通信连接，远程诊断也需要通过通信的方式实现。3.2.3数控装置的功能数控机床项目3数控系统3.3.1数控装置软、硬件任务的分配3.3.2CNC装置软件的组成和特点3.3.3CNC装置的硬件结构3.3数控装置的软硬件结构数控机床项目3数控系统3.3.1数控装置软、硬件任务的分配图3-4CNC装置的三种典型硬件界面关系数控机床项目3数控系统3.3.2CNC装置的软件组成和特点1.CNC装置的软件的组成图3-5CNC装置的软件的组成数控机床项目3数控系统2、CNC装置软件的特点①多任务并行处理②多重实时中断3.3.2CNC装置软件的组成和特点图3-6多任务并行处理关系图数控机床项目3数控系统3.CNC装置的软件处理技术①资源分时共享并行处理适用于单微处理器系统,主要采用对CPU的分时共享(占用)来解决多任务的并行处理。其关键是如何分配占用CPU的时间。一般多采用循环轮流与中断优先相结合的方法来解决各任务对CPU的合理占用。②资源重叠流水并行处理适用于多微处理器系统，指在一段时间间隔内处理两个或多个任务，即时间重叠。取最长的任务处理时间作为流水处理的时间间隔。在处理时间较短的任务时，处理完成需进入等待状态。3.3.2CNC装置的软件组成和特点数控机床项目3数控系统1、单微处理器结构①微处理器CPU和总线由运算器及控制器两部分组成，CPU主要担负与数控有关的数据处理和实时控制任务。数据处理包括译码、刀补、速度处理。实时控制包括插补运算和位置控制以及对各种辅助功能的控制。地址总线、数据总线和控制总线②存储器存放数据、参数和程序等。CNC装置的存储器包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。3.3.3CNC装置的硬件结构图3-7单微处理器结构图数控机床项目3数控系统③位置控制器控制各进给坐标轴的位移量，同时具有位置控制和速度控制功能，需要时将插补运算所得的各坐标位移指令与实际检测的位置反馈信号进行比较，并结合补偿参数，适时地向各坐标伺服驱动控制单元发出位置进给指令，使伺服控制单元驱动伺服电动机运转。3.3.3CNC装置的硬件结构数控机床项目3数控系统④MDI／CRT接口⑤I／O(输入／输出)接口⑥可编程逻辑控制器(PLC)替代传统机床强电继电器逻辑控制，利用逻辑运算实现各种开关量的控制。⑦通信接口与外设进行信息传输和数据交换。可与上级计算机进行通信，传送零件加工程序。3.3.3CNC装置的硬件结构数控机床项目3数控系统2.多微处理器结构多微处理器结构的特点性能价格比高，适应多轴控制、高精度、高进给速度、高效率的控制要求①共享总线结构②共享存储器结构图3-8多微处理器共享总线结构框图图3-9多微处理器共享存储器结构图数控机床项目3数控系统3.4插补原理3.4.1脉冲增量插补法3.4.2逐点比较法第Ⅰ象限直线插补和逆圆插补数控机床项目3数控系统3.4插补原理插补处理:指已知曲线上的某些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，又称数据密化计算的方法。在数控系统中，插补具体指根据曲线段已知的几何数据，以及相应工艺数据中的速度信息，计算出距线段起点、终点之间的一系列中间点，分别向各个坐标轴发出方向、大小和速度都确定协调的运动序列命令，通过各个轴运动的合成，产生数控加工程序要求的工件轮廓的刀具运动轨迹。按插补算法不同，有多种不同复杂程度的插补处理。插补算法分类：脉冲增量插补法和数字采样插补法。数控机床项目3数控系统3.4.1脉冲增量插补法脉冲增量插补法：通过向各个运动轴分配脉冲，控制机床坐标轴做相互协调的运动，从而加工出一定形状的零件轮廓的算法。在插补中每次进给一步移动的距离大小称为脉冲当量，也是最小插补单位。图3-10逐点比较法工作流程图数控机床项目3数控系统3.4.1脉冲增量插补法第一节拍——偏差判别第二节拍——坐标进给第三节拍——偏差计算第四节拍——终点判别逐点比较法的基本原理图3-11刀具与直线之间的位置关系图3-12直线插补轨迹数控机床项目3数控系统，逐点比较法的基本原理可通过逐点比较法在第一象限的直线插补表示出来。-=0=F=-=0当动点I(，)在直线上时，有F=0；向+X方向走一步；当动点1(，)在直线上面时，则F0；向+X方向走一步；当动点I(，)在直线下面时，则F0。向+Y方向走一步；加工OE直线轮廓时，动点I对应为切削刀具的位置，当刀具在直线的下方时，数控装置判断F0后，发出一个+Y向移动脉冲，使刀具向+Y方向走一步；或当刀具在直线上或上面时，数控装置判断F≥0后，使刀具向+X方向走一步；判断是否是到终点，如没有，进入第一节拍，直至终点，结束直线段的插补。iYieXXieYYiiXYeeXYiiXYeeXYiiXYeeXYiiXYeeXYiXiYiXiXiY3.4.2逐点比较法第Ⅰ象限直线插补和逆圆插补1.逐点比较法第Ⅰ象限直线插补图3-13逐点比较法直线插补软件流程图数控机床项目3数控系统3.4.2逐点比较法第Ⅰ象限直线插补和逆圆插补2.逐点比较法第Ⅰ象限逆圆插补设逆时针圆弧SE的中心O为坐标原点，半径为R，起点为S(，)，终点为E(，)现加工点为N(，)。若加工点落在圆弧AB上，则有：圆心(0,0)圆心(a,b)即：由此可见，圆弧插补的偏差值是根据加工点的半径()与圆弧半径之差，来确定的。0222RYXFiiiXiY0Y0XeYeX222RYXii222)()(RbYaX22iiYX2R图3-14刀具与圆弧之间的位置关系数控机床项目3数控系统3.4.2逐点比较法第Ⅰ象限直线插补和逆圆插补当F≥o时，加工点P在圆上或圆外，为减少误差规定向一X方向发一个脉冲，使刀具向圆弧内进给一步，当F0时,加工点P在圆内，规定向+y方向发一个脉冲，使刀具向圆外进给一步。这样每走一步进行一次计算和偏差判别，直至走到圆弧终点为止。对于不同象限和不同走向的直线或圆弧其偏差F的计算公式是不相同的，但计算方法相同。数控机床项目3数控系统3.5CNC装置误差补偿原理3.5.1动反转间隙补偿3.5.2螺距误差补偿3.5.3其他因素引起的误差及其补偿数控机床项目3数控系统3.5.1动反转间隙补偿1.半闭环数控系统半闭环系统在机械传动中，采用调整和预紧的方法来减小间隙。对剩